直熱式空氣源熱泵熱水系統的應用及優化選型研究

李文旭

臨沂市大安安裝工程有限公司

直熱式空氣源熱泵熱水系統的應用及優化選型研究

李文旭

臨沂市大安安裝工程有限公司

隨著我國國民經濟的向前發展，生活熱水的使用越來越普遍，其能量消耗也越來越大，降低建筑熱水能耗的行為意義重大。空氣源熱泵熱水機組是熱泵技術在熱水供應方面的應用，具有節能環保、安全衛生等方面的優勢，是一種值得大力推廣和開發研究的產品。直熱式空氣源熱泵熱水機組以自身快捷、高效特點在最近幾年得到飛速發展，正在努力替代循環式空氣源熱泵熱水機組。

直熱式空氣源；熱水機組；優化

據有關文獻統計，我國的建筑能耗占全國能耗的近30%，并隨著生活水平的提高持續增加，其中熱水能耗占民用建筑能耗的20%～30%。從可持續發展的角度看，降低建筑熱水能耗是暖通行業的一個發展主題，因此，開發和利用可再生能源及用能裝置、提高能源利用效率等降低熱水能耗的活動勢在必行。

1 系統運行控制策略

某大學學生公寓11層共388間，入住人數為1552人，每間宿舍均設有獨立衛生間。目前該棟公寓的生活熱水由直熱式空氣源熱泵熱水系統和燃氣熱水鍋爐共同供應。根據日總用熱量選取5臺熱水機組，每小時的額定制熱總量為174kW。這5臺機組分為2組，共配備4臺冷水泵(2用2備)和臺熱水循環泵。生活熱水供應系統選用2組變頻恒壓泵，每組2臺水泵(1用1備)，采用恒定供水壓力的變流量控制策略，以節約水泵能耗。直熱式空氣源熱泵熱水機組、保溫水箱及水泵擺放于屋頂，供水方式為上行下給式。

空氣源熱泵熱水機組的連接方式均為并聯，每個宿舍樓獨自的熱水系統中分別設置一臺熱泵機組為主機；在保溫水箱內設置水位傳感器和溫度傳感器，分別檢測保溫水箱內水位、水溫信號并且傳遞給主機，且水位控制優先，系統流程如圖1所示。通過水位傳感器檢測水箱內的水位，當實際水位低于設定水位時，熱泵機組及冷水增壓泵啟動，系統進入直熱加熱模式，將來自冷水箱內的冷水直接加熱至設定溫度(取55℃)，直至水位補充至設定水位。水位控制器由四個水位浮子組成，水位分為4檔水位高度，機組進行直熱補水的條件為：設定水箱水位為4時，當水箱實際水位低于S2，冷水增壓泵和熱泵機組開啟進行直熱補水，直至水箱水位高于S1。設定水箱水位為3時，當水箱實際水位低于S3，冷水增壓泵和熱泵機組開啟進行直熱補水，直至水箱水位高于S2。設定水箱水位為2時，當水箱實際水位低于S4，冷水增壓泵和熱泵機組開啟進行直熱補水，直至水箱水位高于S3。對于實際設定值可以根據實際用水量需要進行設定。通過溫度傳感器檢測水箱內的水溫，當水箱水溫低于設定溫度(取48℃)時，開啟熱水循環泵和機組進行循環加熱模式，直至水箱內水溫達到設定溫度(取55℃)為止。

設定機組熱水出水溫度TS=55℃，循環加熱模式下限溫度TR=48℃，直熱補水水位為4格水位(即當保溫水箱內水位低于4格水位時，熱泵機組和冷水泵開啟，系統進行直熱補水)。

對熱水增壓泵(熱水供水水泵)設置時控裝置，設置三個時段啟動：6：30～9：30、10：30～13：30、18：00～23：00，該時段內熱水增壓泵啟動運行，輸配管網內熱水和保溫水箱內熱水進行循環流動，以保證熱水的使用溫度。(見圖1)

2 直熱式空氣源熱泵熱水系統最優選型

2.1 設備選型步驟

對于集中式熱水系統必須設定保溫水箱進行蓄熱，以緩解高峰期用水量，對于有即時供熱能力的直熱式空氣源熱泵熱水系統而言，雖然機組可以即開即生產熱水，但是高峰期熱水消耗量遠大于機組制備速率，因此對于系統設備選型中首先解決問題是機組容量確定和保溫水箱大小的選取，然后進行水泵及附屬、輸配管網管徑的選取，而整個過程中機組容量和保溫水箱容積的確定是整個選型過程的關鍵。如出現設計容量偏小，會對實際使用造成極大的影響，尤

圖1 直熱式空氣源熱泵熱水系統工作流程圖

其冬季或用水高峰日，出現供水短缺狀況；如出現設計容量偏大，會增大系統的初投資。因此對系統的選型準確把握，使得系統的投資和運行效果達到最佳。

2.2 優化方案的提出

在冬季，室外氣溫較低，冬季冷水溫度也處于全年最低值，使得冬季的機組熱負荷最大，而熱泵機組的制熱能力和機組能效比處于較低水平，因此機組工作時間最長。設計中以滿足冬季安全實用性為前提，對熱泵機組設計工作時間T1進行取值。在過渡季，室外氣溫處于中溫階段，晝夜溫差較大，熱泵機組的制熱能力和機組能效比隨溫度的升高迅速增大，選擇熱泵機組的加熱時間為午間氣溫較高的條件下進行，可以有效降低機組能耗。在夏季，室外氣溫較高，熱泵機組的制熱能力和機組能效比隨著室外氣溫的升高，上升速率減緩，選擇熱泵機組的加熱時間為午間，同樣可以一定程度的降低機組能耗。基于以上分析，熱泵機組的容量的選取應以滿足冬季最冷月使用要求為前提，兼顧其它月份的優化控制以到達運行節能要求。

2.3 最優方案評價方法

費用現值法是將每年的現金流量折算到零點的現值累計值，費用現值最小者為最優方案，該方法充分考慮到資金的時間價值，對于投資者在進行互斥方案的比較選擇具有很高的科學價值，主要應用于年運營費用相等或不相等但生命周期相等的項目比選。其計算方法如下：

式中，PC——費用現值，元/年；

ci——部門基準收益率；

t——項目的使用年份；

tCO——項目第t年費用(包含建設期與運營期)，元；

n——設備壽命年限，年。對于直熱式空氣源熱泵熱水機組，若每年的運行費用固定不變。

綜上所述，目前國內外對于空氣源熱泵熱水系統的研究多為機組單體的理論研究，對于系統的工程實踐和應用方面的研究頗為罕見。尤其是直熱式空氣源熱泵熱水機組在最近幾年得到飛速發展，其優勢逐漸突顯，正在努力替代循環式空氣源熱泵熱水機組，對于其工程實踐和應用的研究就更為少見。

[1] 李曉虹，蘇華. 空氣源熱泵熱水系統設計與經濟性分析[J]. 給水排水，2011，09：146-150.